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JPH07103802B2 - Hollow airfoil - Google Patents
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JPH07103802B2 - Hollow airfoil - Google Patents

Hollow airfoil

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Publication number
JPH07103802B2
JPH07103802B2 JP61307573A JP30757386A JPH07103802B2 JP H07103802 B2 JPH07103802 B2 JP H07103802B2 JP 61307573 A JP61307573 A JP 61307573A JP 30757386 A JP30757386 A JP 30757386A JP H07103802 B2 JPH07103802 B2 JP H07103802B2
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cooling fluid
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passages
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レオン・リチャード・アンダーソン
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ユナイテツド・テクノロジ−ズ・コ−ポレイシヨン
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    • B23H9/00Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/10Working turbine blades or nozzles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
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    • F01D5/18Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、膜冷却に係り、更に詳細には膜冷却されるエ
ーロフォイルに係る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to film cooling, and more particularly to film cooled airfoils.

従来の技術 内部キャビティより複数個の小通路を経て外面へ冷却空
気を導くことにより、エーロフォイルの外面が冷却され
ることはよく知られている。通路より流出する空気は、
高温のメインガス流とエーロフォイルの表面との間に冷
却空気の保護膜を形成するよう、通路の下流側へできる
だけ長い距離に亙りエーロフォイルの表面上の境界層中
に留まることが好ましい。通路の軸線がエーロフォイル
の表面となす角度及び通路の開口に於てエーロフォイル
の表面上を流れる高温のガス流の方向に対する通路の軸
線の関係は、膜冷却の有効性に影響を及ぼす重要な因子
である。膜冷却の有効性Eは、メインガス流の温度(T
g)と通路の出口より下流側方向へ距離xの位置に於け
る冷却流体膜の温度(Tf)との間の温度差を、メインガ
ス流の温度と通路の出口に於ける冷却流体の温度(Tc)
との間の温度差にて除算した値として定義される。即ち
E=(Tg−Tf)/(Tg−Tc)である。膜冷却の有効性は
通路の出口よりの距離xの増大と共に急激に低下する。
できるだけ広い面積に亙りできるだけ長い距離に亙って
膜冷却の有効性を高い値に維持することがエーロフォイ
ルの膜冷却の主たる目標である。
It is well known that the outer surface of an airfoil is cooled by directing cooling air from the internal cavity to the outer surface through a plurality of small passages. The air flowing out of the passage is
It is preferred to remain in the boundary layer on the surface of the airfoil for as long a distance downstream of the passage as possible so as to form a protective film of cooling air between the hot main gas stream and the surface of the airfoil. The angle the passage axis makes with the airfoil surface and the relationship of the passage axis to the direction of the hot gas flow over the airfoil surface at the passage openings are important factors affecting film cooling effectiveness. Is a factor. The effectiveness E of film cooling is determined by the temperature (T
g) and the temperature (Tf) of the cooling fluid film at a distance x downstream from the outlet of the passage, the temperature difference of the main gas flow and the temperature of the cooling fluid at the passage outlet (Tc)
It is defined as the value divided by the temperature difference between and. That is, E = (Tg-Tf) / (Tg-Tc). The effectiveness of film cooling drops sharply with increasing distance x from the exit of the passage.
Maintaining high film cooling effectiveness over as large an area as possible and over as long a distance as possible is a major goal of airfoil film cooling.

当技術分野に於ては、冷却空気が圧縮機より抽出された
作動流体であり、それがガス流路より失われることによ
りエンジンの効率が急激に低下するので、エンジンのエ
ーロフォイルはできるだけ少量の冷却空気を用いて冷却
されなければならないことがよく知られている。エーロ
フォイルの設計者は或る特定の最小の流量の冷却流体流
量を使用してエンジンの全てのエーロフォイルを冷却し
なければならないという問題に直面している。内部キャ
ビティより個々の冷却流体通路を経てガス流路内へ流れ
る冷却流体の量は、冷却流体通路の最小断面領域(計量
領域)により制御される。計量領域は典型的には通路が
内部キャビティと交差する位置に設けられる。内外の圧
力が一定又は少なくとも設計者の制御の範囲を越えてい
るものと仮定すれば、エーロフォイルの内部より通ずる
全ての冷却流体通路及びオリフィスの計量領域の全体が
エーロフォイルよりの冷却流体の全流量を制御する。設
計者は、エーロフォイルの全ての領域がエーロフォイル
の材料の能力、最大応力、及び寿命の要件の点から考慮
しなければならない点により決定される臨界設計温度限
界以下に維持されるよう、通路の大きさ、通路間の間
隔、通路の形状及び方向を特定しなければならない。
In the art, the cooling air is the working fluid extracted from the compressor, which is lost from the gas flow path, resulting in a sharp drop in engine efficiency, so that the airfoil of the engine should be as small as possible. It is well known that it must be cooled with cooling air. Airfoil designers face the problem of having to cool all the airfoils of an engine using a certain minimum flow rate of cooling fluid. The amount of the cooling fluid flowing from the internal cavity into the gas passage through the individual cooling fluid passages is controlled by the minimum sectional area (measuring area) of the cooling fluid passage. The metering area is typically located where the passage intersects the internal cavity. Assuming that the internal and external pressures are constant or at least beyond the control of the designer, the entire metering area of all cooling fluid passages and orifices from the interior of the airfoil will cover all of the cooling fluid from the airfoil. Control the flow rate. Designers must ensure that all areas of the airfoil are maintained below the critical design temperature limit, which is determined by points that must be considered in terms of airfoil material capabilities, maximum stress, and life requirements. The size of, the distance between passages, the shape and direction of the passages must be specified.

理想的にはエーロフォイルの表面の100%を冷却空気の
膜にて覆うことが望ましいが、通路出口より流出する空
気は一般にガス流に垂直な通路出口の寸法よりも広くは
ないか又は殆ど広くはない冷却膜の帯を形成する。冷却
流体通路の数、大きさ、及び間隔に対する制限により、
保護膜の間に隙間が生じ、また膜冷却の有効性が低い領
域が生じ、これにより局部的なホットスポットが発生す
る。エーロフォイルのホットスポットはエンジンの運転
温度を制限する一つの因子である。
Ideally, 100% of the airfoil surface should be covered with a film of cooling air, but the air exiting the aisle outlet is generally no wider or almost wider than the dimensions of the aisle outlet perpendicular to the gas flow. Not forming a band of cooling film. Due to restrictions on the number, size, and spacing of cooling fluid passages,
Gaps are formed between the protective films, and regions where the film cooling efficiency is low are generated, which causes local hot spots. Airfoil hotspots are one factor that limits the operating temperature of an engine.

米国特許3,527,543号に於ては、或る与えられた通路よ
りの冷却流体が境界層内により一層良好に留まるよう、
断面円形の末広テーパ状の通路が使用されている。また
通路は、長手方向に又は或る程度ガス流方向へ向けて延
在する平面内に於ては、冷却流体が通路より流出して下
流側方向へ移動する際に冷却流体を長手方向に拡散させ
るよう配向されていることが好ましい。かかる構造に拘
らず、煙流による可視化試験及びエンジンのハードウェ
アの検査により、楕円形の通路開口(米国特許第3,527,
543号)よりの冷却流体膜の長手方向の幅は、冷却流体
がエーロフォイルの表面に放出された後には、精々一つ
の通路出口の短軸の長さ程度にしか長手方向に膨張しな
いことが解った。かかる事実及び通路間の長手方向の間
隔が直径の3〜6倍であることにより、エーロフォイル
の表面には長手方向に互いに隔置された通路の間の領域
及びその下流側の領域にその列の通路よりの冷却流体を
受けない部分が生じる。米国特許第3,527,543号に記載
された円錐形の傾斜された通路によっても、精々70%以
下のカバー率(隣接する通路開口の中心間距離のうち冷
却流体により覆われる部分のパーセンテージ)しか得ら
れない。
In U.S. Pat.No. 3,527,543, cooling fluid from a given passage stays better in the boundary layer.
A divergent tapered passage with a circular cross section is used. In addition, in the plane where the passage extends in the longitudinal direction or to some extent in the gas flow direction, the cooling fluid diffuses in the longitudinal direction when the cooling fluid flows out of the passage and moves in the downstream direction. It is preferably oriented so that Despite this construction, an oval passage opening (US Pat. No. 3,527,
No. 543), the longitudinal width of the cooling fluid film expands in the longitudinal direction only to the length of the minor axis of at most one passage outlet after the cooling fluid is discharged to the surface of the airfoil. I understand. Due to this fact and the fact that the longitudinal spacing between the passages is 3 to 6 times the diameter, the surface of the airfoil has its rows in the region between the longitudinally spaced passages and in its downstream region. There is a portion that does not receive the cooling fluid from the passage of. The conical inclined passages described in U.S. Pat. No. 3,527,543 only provide coverage of at most 70% (percentage of the center-to-center distance of adjacent passage openings covered by cooling fluid). .

冷却流体通路より流出する空気の速度は、通路出口に於
けるガス流の圧力に対する通路入口に於ける空気の圧力
の比に依存している。一般にこの圧力比が高くなればな
る程出口速度が高くなる。出口速度が高すぎると、冷却
空気がガス流中を貫流し、有効な膜冷却を行うことなく
ガス流により持去られる。逆に圧力比が小さすぎると、
冷却流体通路内へガス流が侵入し、エーロフォイルの冷
却が局部的に完全に行われなくなる。エーロフォイルの
冷却が完全に行われなくなると一般に有害な結果が生
じ、そのため一般に安全のための余裕が設けられる。こ
の安全の余裕のための余分の圧力により設計は高い圧力
比にならざるを得ない。高い圧力比の余裕は膜冷却構造
の一つの好ましい特徴である。前述の米国特許第3,527,
543号に記載されている如く通路をテーパ状とすること
によって冷却空気の流れを拡散させることはかかる余裕
を与える点で有益なものであるが、この米国特許に記載
されている如く拡散角度を小さくすると(最大12°の角
度)、圧力比に対する膜冷却構造の感受性を低減するた
めに最も好ましいと考えられている値に出口速度を低減
するためには、通路が長くなり、従ってエーロフォイル
の壁の厚さが大きくなる。これと同一の制限が米国特許
第4,197,443号に記載された台形状の拡散通路に於ても
存在する。この米国特許に記載された二つの互いに垂直
な平面内に於ける最大の拡散角度は、テーパ状の壁より
冷却流体が剥離することがなく、また冷却流体がそれが
通路より高温のガス流中へ流出する際に通路を完全に充
填することを確保すべく、それぞれ7°及び14°に設定
されている。拡散角度にはかかる制限があるので、エー
ロフォイルの壁を厚くし、またエーロフォイル内の通路
をスパン方向へ傾斜させることによってのみ幅の広い通
路出口を形成し、また通路間の長手方向の間隔を小さく
することができる。拡散角度が大きいことは好ましいこ
とではあるが、従来技術によってはこのことを達成する
ことはできない。
The velocity of the air exiting the cooling fluid passage is dependent on the ratio of the air pressure at the passage inlet to the gas flow pressure at the passage outlet. Generally, the higher this pressure ratio, the higher the exit velocity. If the outlet velocity is too high, cooling air will flow through the gas stream and be carried away by the gas stream without effective film cooling. Conversely, if the pressure ratio is too small,
The gas flow penetrates into the cooling fluid passages, resulting in localized incomplete cooling of the airfoil. Incomplete cooling of the airfoil generally has detrimental consequences, which generally provides a margin of safety. This extra pressure for safety margins forces the design to have a high pressure ratio. A high pressure ratio margin is one preferred feature of film cooling structures. U.S. Pat.
Diffusing the flow of cooling air by tapering the passages as described in US Pat. No. 543 is beneficial in providing such a margin, but as described in this U.S. Pat. Smaller (up to 12 ° angles), to reduce the exit velocity to what is believed to be the most favorable for reducing the susceptibility of the membrane cooling structure to the pressure ratio, the passage is lengthened and therefore the airfoil The wall becomes thicker. The same limitation exists in the trapezoidal diffusion passages described in US Pat. No. 4,197,443. The maximum diffusion angle in the two mutually perpendicular planes described in this U.S. patent is that the cooling fluid does not separate from the tapered walls and that the cooling fluid is in a gas flow that is hotter than the passages. They are set at 7 ° and 14 °, respectively, to ensure that the passage is completely filled as it flows out. Due to this limitation on the diffusion angle, the walls of the airfoil are thickened, and the passages in the airfoil are only widened by sloping the passages in the span direction, and the longitudinal spacing between passages is also increased. Can be made smaller. While a large diffusion angle is preferred, this cannot be achieved by the prior art.

特開昭55−114806号の第2図及び第3図(本願に於てそ
れぞれ第9図及び第10図として再現されている)には、
長手方向に延在する列として設けられた直線円筒状の通
路であってエーロフォイルの外面に形成された長手方向
に延在する溝に通ずる通路を有する中空のエーロフォイ
ルが記載されている。この出願に於ては、隣接する通路
よりの冷却流体の流れが互いに混ざり合い、冷却流体が
溝より流出してエーロフォイルの表面に到達する時点ま
でに溝の全長に亙り均一な厚さの冷却流体の膜を形成す
ることが記載されているが、本願発明者等が行った試験
によれば、円筒形通路よりの冷却流体は実質的に一定の
幅(実質的に通路の直径に等しい)の帯として下流側へ
移動することが解った。冷却流体の互いに隣接する帯が
混ざり合うことにより生じる拡散は遥かに下流側に於て
生じるので、その点に於ける膜冷却の有効性は多くのエ
ーロフォイルの構造に必要とされる有効性よりも遥かに
低い。
2 and 3 of JP-A-55-114806 (reproduced as FIGS. 9 and 10 in the present application),
A hollow airfoil is described having linear cylindrical passages arranged in longitudinally extending rows, the passages leading to longitudinally extending grooves formed in the outer surface of the airfoil. In this application, the cooling fluid flows from adjacent passages mix with each other and a uniform thickness of cooling is achieved over the entire length of the groove by the time the cooling fluid exits the groove and reaches the surface of the airfoil. Although forming a film of fluid is described, tests conducted by the inventors have shown that the cooling fluid from the cylindrical passage has a substantially constant width (substantially equal to the diameter of the passage). It was found that the belt moved to the downstream side. Diffusion caused by the mixing of adjacent bands of cooling fluid occurs far downstream, so the effectiveness of film cooling at that point is less than that required for many airfoil constructions. Is also much lower.

米国特許第3,515,499号には、エッチングされたウエハ
の積層体よりなるエーロフォイルが記載されている。完
成したエーロフォイルは、その外面に冷却空気の膜を形
成するよう冷却空気を放出する共通の長手方向に延在す
る溝まで内部キャビティより延在する複数個の長手方向
に隔置された通路を有する幾つかの領域を含んでいる。
この米国特許の第1図に於て、各通路はその入口よりそ
れが溝と交差する最小断面積の領域まで先細状をなして
いる。またこの米国特許の第9図の他の一つの実施例に
於ては、通路は小さい一定の大きさを有し、かなり幅の
広い溝に通じている。これら何れの構造も上述の特開昭
55−114806号について説明した欠点と同一の欠点を有し
ており、冷却流体はそれがメインガス流中へ流入する前
に溝を均一には充填せず、溝の下流側に於ける膜のカバ
ー率は100%よりもかなり低い値である。
U.S. Pat. No. 3,515,499 describes an airfoil consisting of a stack of etched wafers. The finished airfoil has a plurality of longitudinally spaced passages extending from the inner cavity to a common longitudinally extending groove that releases cooling air to form a film of cooling air on its outer surface. Includes several areas that have.
In FIG. 1 of this U.S. patent, each passage tapers from its inlet to the area of the smallest cross-sectional area where it intersects the groove. Also, in another embodiment of FIG. 9 of this U.S. Patent, the passageway has a small constant size and leads to a fairly wide groove. Both of these structures are disclosed in
It has the same drawbacks as described for 55-114806, in that the cooling fluid does not evenly fill the groove before it enters the main gas stream, and the film at the downstream side of the groove is The coverage is much lower than 100%.

エーロフォイルの外面を膜冷却することに関する他の刊
行物としては、米国特許第2,149,510号、同第2,220,420
号、同第2,489,683号、1956年3月16日に出版された
「フライト・アンド・エアクラフト・エンジニア(Flig
ht and Aircraft Engineer)」No.2460、Vol.69(292〜
295頁)があり、これらはリーディングエッジ又はエー
ロフォイルの圧力側面及び吸入側面を冷却するために長
手方向に延在する溝を使用することを開示している。こ
れらの刊行物に記載された溝は内部キャビティと直接連
通するようエーロフォイルの壁を完全に貫通して延在し
ている。これらの溝は構造的強度の観点からは好ましく
なく、またこれらの溝によれば流量が非常に大きくなら
ざるを得ない。
Other publications relating to film cooling the outer surface of an airfoil include U.S. Patent Nos. 2,149,510 and 2,220,420.
No. 2,489,683, published on March 16, 1956, "Flight and Aircraft Engineer (Flig
ht and Aircraft Engineer) '' No.2460, Vol.69 (292 ~
295), which disclose the use of longitudinally extending grooves to cool the pressure and suction sides of the leading edge or airfoil. The grooves described in these publications extend completely through the wall of the airfoil so that they are in direct communication with the internal cavity. These grooves are not preferable from the viewpoint of structural strength, and these grooves inevitably have a very large flow rate.

米国特許第4,303,374号には、エーロフォイルのトレー
リングエッジの切下げられた露呈面を冷却するための構
造が記載されている。この構造にはトレーリングエッジ
内の複数個の長手方向に隔置された末広通路が含まれて
いる。隣接する通路はそれらの出口端部に於て互いに近
接しており、切下げられた面上に冷却空気の連続的な膜
を形成する。
U.S. Pat. No. 4,303,374 describes a structure for cooling the undercut exposed surface of the trailing edge of an airfoil. The structure includes a plurality of longitudinally spaced divergent passages in the trailing edge. Adjacent passages are proximate to each other at their outlet ends, forming a continuous film of cooling air on the undercut surface.

1971年にアメリカ合衆国ニューヨーク州のアカデミック
・プレス(Academic Press)より出版された「アドバン
シーズ・イン・ヒート・トランスファー(Advances in
Heat Transfer)」(ティ・エフ・アーヴィン・ジュニ
ア(T.F.Irvine,Jr.)及びジェイ・ピー・ハートネット
(J.P.Hartnett)編集)の第7巻の321〜379頁には、膜
冷却の技術の概略を示すリチャード・ジェイ・ゴールド
スタイン(Richard J.Goldstein)により著わされた
「フィルム・クーリング(Film Cooling)」と題する記
事が記載されている。この記事には、冷却されるべき壁
を完全に貫通して延在する種々の形状の細長い溝、及び
壁を貫通して延在する円形断面の通路が記載されてい
る。
Published in 1971 by the Academic Press in New York, USA, "Advances in Heat Transfer"
Heat Transfer) "(edited by TFIrvine, Jr. and JP Hartnett), Volume 7, pages 321-379, gives an overview of film cooling technology. An article entitled "Film Cooling," written by Richard J. Goldstein, is included. This article describes various shaped elongated grooves that extend completely through the wall to be cooled, and channels of circular cross section that extend through the wall.

発明の開示 本発明の一つの目的は、その外面の膜冷却が改善された
中空エーロフォイルを提供することである。
DISCLOSURE OF THE INVENTION One object of the present invention is to provide a hollow airfoil with improved film cooling of its outer surface.

本発明の他の一つの目的は、個々の冷却体流体通路の閉
塞の虞れを低減する中空エーロフォイルの壁のための膜
冷却構造を提供することである。
Another object of the invention is to provide a film cooling structure for the walls of hollow airfoils which reduces the risk of blockage of individual cooling body fluid passages.

本発明の更に他の一つの目的は、エーロフォイルの外面
全体に亙り長手方向に延在する連続的な冷却流体の膜を
形成する中空エーロフォイルの壁のための膜冷却構造を
提供することである。
Yet another object of the present invention is to provide a film cooling structure for the walls of a hollow airfoil that forms a continuous film of cooling fluid that extends longitudinally across the outer surface of the airfoil. is there.

本発明によれば、中空エーロフォイルの壁はその外面に
設けられた長手方向に延在する溝と、壁を貫通して延在
する長手方向の一列の冷却流体通路とを有しており、各
通路はその内端部に設けられた計量部とその外端部に設
けられた拡散部とを有し、拡散部の壁面はエーロフォイ
ルの外面へ向けて長手方向に末広状をなしており、互い
に隣接する通路の末広状をなす壁面は実質的にエーロフ
ォイルの外面より内側の溝の底面に於て互いに出会って
おり、これにより各通路は溝と連通し冷却流体にて溝を
充填するようになっており、冷却流体は溝より下流側に
於てエーロフォイルの外面上に長手方向に延在する連続
的な膜として溝より流出する。
According to the invention, the wall of the hollow airfoil has a longitudinally extending groove provided in its outer surface and a longitudinal row of cooling fluid passages extending through the wall, Each passage has a metering portion provided at its inner end and a diffusing portion provided at its outer end, and the wall surface of the diffusing portion is divergent in the longitudinal direction toward the outer surface of the airfoil. , The divergent wall surfaces of adjacent passages meet each other substantially at the bottom of the groove inside the outer surface of the airfoil, whereby each passage communicates with the groove and fills the groove with cooling fluid. As such, the cooling fluid exits the groove as a continuous film extending longitudinally on the outer surface of the airfoil downstream of the groove.

通路及び溝の面は冷却流体をそれが下流側方向への速度
成分を有し外面に対し小さい角度をなす方向へ導き得る
よう傾斜されており、これにより冷却流体はそれが溝よ
り流出すると境界層内に於て薄い膜としてエーロフォイ
ルの外面に付着した状態になる。長手方向の断面で見て
末広状をなす冷却流体通路を使用することにより、また
互いに隣接する通路が溝の底面と交差するそれらの出口
の間の間隔が非常に小さく又は全く存在しないよう長手
方向の一つの列に於て各通路を十分に互いに近接して配
置することにより、冷却流体は更に溝内に於て拡散し、
高温のガス流内へ進入する前に溝をその長手方向全範囲
に亙り完全に充填する。かかる構成によれば、エーロフ
ォイルの実質的に長手方向全範囲に亙り少量の冷却流体
を連続的な膜として拡散させることができる。
The surfaces of the passages and grooves are beveled so that the cooling fluid can be guided in a direction having a velocity component in the downstream direction and at a small angle to the outer surface, whereby the cooling fluid is bounded when it exits the groove. In the layer, it is attached to the outer surface of the airfoil as a thin film. By using cooling fluid passages that are divergent when viewed in longitudinal section, and also in such a way that there is very little or no spacing between their outlets where adjacent passages intersect the bottom of the groove. By placing the passages sufficiently close to each other in one row of the cooling fluid, the cooling fluid diffuses further in the groove,
The groove is completely filled over its entire extent in its longitudinal direction before it enters the hot gas stream. With such a configuration, a small amount of cooling fluid can be diffused as a continuous film over substantially the entire length of the airfoil in the longitudinal direction.

本発明の更に他の一つの利点は、ガス流路内の破片が個
々の冷却流体通路内を流れる冷却流体の流れを閉塞する
虞れが小さいということである。冷却流体通路がエーロ
フォイルの外面に於て互いに独立した小さい出口として
開口していれば、破片はその出口に停滞して通路を塞ぐ
ことがある。本発明によれば、破片は溝の側壁の間に停
滞した状態になり易く、従って個々の通路の出口が閉塞
されることはない。即ち冷却流体は通路より破片の周り
を流れることができる。
Yet another advantage of the present invention is that debris within the gas flow path is less likely to block the flow of cooling fluid through the individual cooling fluid passages. If the cooling fluid passages were opened at the outer surface of the airfoil as small outlets independent of each other, debris could stagnate at the outlet and block the passage. According to the invention, debris is likely to remain stagnant between the side walls of the groove, so that the outlets of the individual passages are not blocked. That is, the cooling fluid can flow around the debris through the passage.

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

発明を実施するための最良の形態 本発明の一つの例示的実施例として、符号10にて全体的
に示されたタービンブレードについて説明する。第1図
及び第2図に於て、ブレード10は中空のエーロフォイル
12を含んでおり、該エーロフォイルはそれと一体をなす
ルート14よりスパン方向、即ち長手方向に延在してい
る。エーロフォイル12のベース部にはプラットフォーム
16が設けられている。エーロフォイル12は外面20及び内
面22を有する壁18を含んでいる。内面22は長手方向に延
在する内部キャビティを郭定しており、該キャビティは
長手方向に延在するリブ30及び32により互いに隣接し長
手方向に延在する複数個のコンパートメント24、26、28
に分割されている。ルート14内に設けられた通路34はコ
ンパートメント24と連通しており、またルート14内に設
けられた通路36はコンパートメント26及び28と連通して
いる。ブレード10がガスタービンエンジンのタービンセ
クションの如きその所期の環境に於て作動される場合に
は、圧縮機のブリード空気の如き適当な供給源よりの加
圧された冷却流体が通路34及び36内へ供給され、これに
よりコンパートメント24、26、28内が加圧される。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As an exemplary embodiment of the present invention, a turbine blade generally designated by reference numeral 10 will be described. 1 and 2, the blade 10 is a hollow airfoil.
12 includes an airfoil 12 extending in a spanwise or longitudinal direction from an integral root 14 thereof. Platform at the base of the airfoil 12
16 are provided. The airfoil 12 includes a wall 18 having an outer surface 20 and an inner surface 22. The inner surface 22 defines a longitudinally extending internal cavity that is adjacent to each other by longitudinally extending ribs 30 and 32 and is longitudinally extending to a plurality of compartments 24, 26, 28.
Is divided into A passage 34 provided in the route 14 is in communication with the compartment 24, and a passage 36 provided in the route 14 is in communication with the compartments 26 and 28. When the blades 10 are operated in their intended environment, such as the turbine section of a gas turbine engine, pressurized cooling fluid from a suitable source, such as compressor bleed air, is passed through passages 34 and 36. Into the compartments 24, 26, 28, which pressurizes them.

添付の図に於て、矢印40はエーロフォイルの表面上を流
れる高温のガスの流れ方向(即ち流線)を示している。
本発明を説明する目的で、エーロフォイルの圧力側面又
は吸入側面上を流れる高温ガスの流れ方向は下流側方向
と見倣される。かくしてエーロフォイルの吸入側面又は
圧力側面の任意の点に於ては、下流方向はエーロフォイ
ルの表面に対し接線方向であり、不規則な流れが発生さ
れるエーロフォイルの先端やプラットフォーム16に近い
エーロフォイルのベース部を除き、下流側方向はエーロ
フォイルのスパン方向に対し実質的に垂直である。
In the accompanying drawings, arrow 40 indicates the direction of flow (ie, streamline) of the hot gas flowing over the surface of the airfoil.
For purposes of describing the invention, the flow direction of hot gas flowing over the pressure side or suction side of the airfoil is referred to as the downstream direction. Thus, at any point on the airfoil suction or pressure side, the downstream direction is tangential to the airfoil surface and close to the airfoil tip or platform 16 where irregular flow is generated. With the exception of the base of the foil, the downstream direction is substantially perpendicular to the span direction of the airfoil.

本発明によれば、コンパートメント24、26、28内の加圧
された冷却流体は通路41の如き壁18を貫通する通路を経
て、又は後に詳細に説明する通路44により冷却流体が供
給される溝42を経てエーロフォイルより流出することに
より、エーロフォイルの壁18の外面20を冷却する。一つ
の典型的なタービンブレードのエーロフォイルに於て
は、通路41の如き多数の列の通路が設けられていてよ
く、これらの通路はエーロフォイルの圧力側及び吸入側
の両方に設けられ、またエーロフォイルのリーディング
エッジの周りに設けられる。明瞭化及び簡略化の目的
で、添付の図に於ては幾つかの列の通路のみが図示され
ている。かくして図示のエーロフォイルは本発明を説明
するためのものであり、本発明の範囲を限定するもので
はない。
In accordance with the present invention, the pressurized cooling fluid in compartments 24, 26, 28 is supplied with cooling fluid via a passageway through wall 18, such as passageway 41, or by a passageway 44 described in detail below. Outflow from the airfoil via 42 cools the outer surface 20 of the airfoil wall 18. In one typical turbine blade airfoil, there may be multiple rows of passages, such as passage 41, which are provided on both the pressure and suction sides of the airfoil, and Located around the leading edge of the airfoil. For clarity and brevity only a few rows of passages are shown in the accompanying figures. Thus, the illustrated airfoil is for the purpose of illustrating the invention and is not intended to limit the scope of the invention.

第1図乃至第6図に於て、本発明によれば、エーロフォ
イルの外面20に於て長手方向に延在する溝42は互いに隔
置され且互いに対向する壁面48及び50を含み、これらの
壁面は溝の底面52よにより互いに接続されている。壁面
48及び50は実質的に長手方向に対し平行である。壁面48
及び50は下流側方向40に対するそれらの位置の点に鑑
み、これ以降それぞれ前面48及び後面50と呼ばれる。即
ち壁面50は壁面48の下流側に位置し、従ってその後方に
位置するものと考えられる。前面48は外面20と交差して
溝42の上流側エッジ54を形成しており、後面50は外面20
と交差して溝42の下流側エッジ56を形成している。これ
らの面48及び50は約45°以下の比較的小さい角度にて外
面20と交差していることが好ましい。
1-6, in accordance with the present invention, the longitudinally extending groove 42 in the outer surface 20 of the airfoil includes wall surfaces 48 and 50 spaced from each other and facing each other. The walls of the are connected to each other by the bottom surface 52 of the groove. Wall
48 and 50 are substantially parallel to the longitudinal direction. Wall 48
And 50 in view of their position with respect to the downstream direction 40, will be referred to hereinafter as the front face 48 and the rear face 50, respectively. That is, it is considered that the wall surface 50 is located on the downstream side of the wall surface 48, and thus is located behind it. The front surface 48 intersects the outer surface 20 and forms the upstream edge 54 of the groove 42, and the rear surface 50 is the outer surface 20.
Intersects with to form a downstream edge 56 of the groove 42. These surfaces 48 and 50 preferably intersect the outer surface 20 at a relatively small angle of about 45 ° or less.

通路44は溝42の長さに沿って実質的に長手方向に整合さ
れている。各通路44はその内端部に設けられた計量部58
と、その外端部に設けられた拡散部60とを直列の流れ関
係にて含んでいる。この実施例に於ては、計量部58は直
線状をなしており、その中心軸線62に対し垂直な断面は
実質的に長方形の一定の断面であり、中心軸線62は計量
領域の幾何学的中心を通っている。計量部58は内面22と
交差して通路への入口64を郭定している。計量部の出口
66は拡散部60への入口と一致している。
The passages 44 are substantially longitudinally aligned along the length of the groove 42. Each passage 44 has a measuring portion 58 provided at its inner end.
And a diffusion portion 60 provided at the outer end portion thereof in a serial flow relationship. In this embodiment, the metering section 58 is straight and its cross section perpendicular to the central axis 62 is a substantially rectangular constant section, the central axis 62 being the geometrical shape of the metering area. It goes through the center. The metering portion 58 intersects the inner surface 22 and defines an entrance 64 to the passage. Weighing section exit
66 coincides with the entrance to the diffusion section 60.

第4図に最もよく示されている如く、拡散部60は互いに
隔置され且互いに対向する一対の端壁面68及び70を含ん
でおり、これらの面は計量部の出口66よりそれらの面が
交差する溝の底面52まで長手方向の断面で見て末広状を
なしている。
As best shown in FIG. 4, the diffusing section 60 includes a pair of end walls 68 and 70 spaced from each other and facing each other, the surfaces of which are located from the outlet 66 of the metering section. The bottom surface 52 of the intersecting groove has a divergent shape when viewed in a longitudinal section.

第3図に於て、各通路44は互いに隔置され且互いに対向
する一対の側壁面72及び74を含んでおり、これらの面は
それらの長さに沿って端壁面68及び70と接続されてお
り、また溝の後面50及び前面48と接続されている。側壁
面72及び74は実質的に長手方向に平行である。この実施
例に於ては、側壁面74は溝の前面48と同一平面状にて延
在しており、中心軸線62に対し平行である。中心軸線62
と外面20との間の角度Pは約45°以下、特に25〜40°で
あることが好ましい。側壁面72は溝の後面50と同一平面
状にて延在しており、中心軸線62及び側壁面74より記号
Rにて示された角度にて下流側方向へ末広状をなしてい
ることが好ましい。末広角度Rは約5°〜10°の範囲で
あることが好ましい。後面50が中心軸線62より離れる方
向へ末広状をなしていることにより、後面50が溝より下
流側にてエーロフォイルの外面20となす角度Sが低減さ
れている。このことにより冷却流体が溝の下流側に於て
境界層内に容易に溜まり得るようになっている。角度R
は0°であってよく、その場合にも本発明の範囲内に属
する。
In FIG. 3, each passage 44 includes a pair of side wall surfaces 72 and 74 spaced from each other and opposed to each other, these surfaces being connected along their length with end wall surfaces 68 and 70. And is connected to the rear surface 50 and the front surface 48 of the groove. Side wall surfaces 72 and 74 are substantially parallel to the longitudinal direction. In this embodiment, the sidewall surface 74 extends coplanar with the groove front surface 48 and is parallel to the central axis 62. Central axis 62
The angle P between the outer surface 20 and the outer surface 20 is preferably less than about 45 °, in particular 25-40 °. The side wall surface 72 extends in the same plane as the rear surface 50 of the groove, and has a divergent shape in the downstream direction at an angle indicated by the symbol R from the central axis 62 and the side wall surface 74. preferable. The divergence angle R is preferably in the range of about 5 ° to 10 °. Since the rear surface 50 has a divergent shape in a direction away from the central axis 62, an angle S formed by the rear surface 50 and the outer surface 20 of the airfoil is reduced downstream of the groove. This allows the cooling fluid to easily collect in the boundary layer downstream of the groove. Angle R
May be 0 ° and still fall within the scope of the invention.

第4図に於て、端壁面68及び70はそれぞれ記号Tにて示
された角度にて中心軸線62より離れる方向へ拡散してい
る。かくして端壁面68及び70は2Tの角度にて互いに離れ
る方向へ末広状をなしている。隣接する通路44の間の間
隔、即ちピッチp及び角度Tは、互いに隣接する通路44
の互いに隣接する端壁面68及び70が実質的に溝の底面52
に於て互いに出会うよう選定される。このことにより冷
却流体が通路より流出する際に溝を完全に充填すること
が向上される。通路の数を低減するためには、角度Tは
少なくとも約10°であることが望ましいが、角度Tが大
きすぎる場合には、計量部より流出する冷却流体は端壁
面68及び70には付着しない。その場合には、冷却流体は
拡散部を充填しないだけでなく、溝内にて十分には拡散
せず、冷却流体の連続的な膜が溝の長さに沿って形成さ
れない。
In FIG. 4, the end wall surfaces 68 and 70 are diffused in the direction away from the central axis line 62 at the angle indicated by the symbol T, respectively. Thus, the end wall surfaces 68 and 70 are divergent in the direction away from each other at an angle of 2T. The spacing between adjacent passages 44, ie the pitch p and the angle T, is such that
The end walls 68 and 70 adjacent to each other are substantially the bottom surface 52 of the groove.
Will be selected to meet each other. This improves the complete filling of the groove as the cooling fluid exits the passage. In order to reduce the number of passages, it is desirable that the angle T is at least about 10 °, but if the angle T is too large, the cooling fluid flowing out of the metering section will not adhere to the end wall surfaces 68 and 70. . In that case, the cooling fluid not only fills the diffusing portion, but also does not diffuse sufficiently in the groove, and a continuous film of the cooling fluid is not formed along the length of the groove.

第7図は本発明の他の一つの実施例を示す第4図と同様
の解図である。第7図に於て、端壁面68′及び70′は有
効拡散角度T′(端壁面68′及び70′がそれぞれその端
壁面の始点より端壁面の終点まで延在する一つの平坦面
である場合に形成される角度)を形成するよう、二段階
にて中心軸線62′より拡散している。この有効末広角度
T′は少なくとも10°でなければならない。
FIG. 7 is an illustration similar to FIG. 4 showing another embodiment of the present invention. In FIG. 7, the end wall surfaces 68 'and 70' are effective diffusion angles T '(the end wall surfaces 68' and 70 'are respectively one flat surface extending from the start point of the end wall surface to the end point of the end wall surface). In order to form the angle (formed in some cases), it is diffused from the central axis 62 'in two steps. This effective divergence angle T'should be at least 10 °.

本発明の冷却流体通路及び溝は任意の適当な手段により
形成されてよい。好ましい一つの方法は、形成されるべ
き通路及び溝の形状を有する電極を用いて行われる周知
の放電加工法(EDM)である。それぞれ通路44の形状を
有する互いに隣接する複数個の歯80を有する電極である
第8図に示されている如き櫛形電極を用いて複数個の通
路が同時に形成されてよい。各歯は共通のベース部82に
より互いに接続されている。電極は第8図の基準線84ま
での如く歯80の長さ以上の距離に亙り加工片内へ移動さ
れる。かくしてベース部82の基準線84と歯80の根元部と
の間の部分は加工片の表面に溝42を形成する。ベース部
82は前記部分に於ては適正な溝形状を与えるよう適宜に
テーパ状に形成されている。
The cooling fluid passages and grooves of the present invention may be formed by any suitable means. One preferred method is the well-known electrical discharge machining (EDM) method which is carried out using electrodes having the shape of the passages and grooves to be formed. A plurality of passages may be formed simultaneously using a comb electrode as shown in FIG. 8 which is an electrode having a plurality of adjacent teeth 80 each having the shape of a passage 44. The teeth are connected to each other by a common base portion 82. The electrode is moved into the work piece over a distance greater than the length of the tooth 80, such as up to the reference line 84 in FIG. Thus, the portion between the reference line 84 of the base portion 82 and the root of the tooth 80 forms the groove 42 on the surface of the work piece. Base part
Reference numeral 82 is appropriately formed in a tapered shape so as to give a proper groove shape in the above portion.

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。
Although the present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments, the present invention is not limited to such embodiments, and various other embodiments are possible within the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明が組込まれた中空のタービンブレードを
その一部を破断して示す正面図である。 第2図は第1図の線2−2に沿う断面図である。 第3図は第2図の線3−3により示された部分の拡大部
分断面図である。 第4図は第3図の線4−4に沿う断面図である。 第5図は第3図の線5−5に沿う矢視図である。 第6図は第1図の線6−6により示された部分の拡大部
分図である。 第7図は本発明他の一つの実施例を示す第4図と同様の
断面図である。 第8図は本発明の冷却流体通路及び溝を形成するために
使用されてよい電極を示す傾斜図である。 第9図及び第10図は特開昭55−114806号のそれぞれ第2
図及び第3図に対応する解図である。 10…タービンブレード,12…エーロフォイル,14…ルー
ト,16…プラットフォーム,18…壁,20…外面,22…内面,2
4、26、28…コンパートメント,30、32…リブ,34、36、4
1…通路,42…溝,44…通路,48、50…壁面,52…底面,54…
上流側エッジ,56…下流側エッジ,58…計量部,60…拡散
部,62…中心軸線,64…入口,66…出口,68,70…端壁面,7
2、74…側壁面,80…歯,82…ベース部,84…基準線
FIG. 1 is a front view showing a hollow turbine blade incorporating the present invention with a part thereof cut away. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG. FIG. 3 is an enlarged partial sectional view of a portion indicated by line 3-3 in FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along the line 4-4 in FIG. FIG. 5 is a view taken along the line 5-5 in FIG. FIG. 6 is an enlarged partial view of the portion indicated by line 6-6 in FIG. FIG. 7 is a sectional view similar to FIG. 4 showing another embodiment of the present invention. FIG. 8 is a perspective view showing an electrode that may be used to form the cooling fluid passages and grooves of the present invention. FIG. 9 and FIG. 10 are respectively the second of JP-A-55-114806.
It is a solution figure corresponding to Drawing and Drawing 3. 10… Turbine blades, 12… Airfoils, 14… Roots, 16… Platforms, 18… Walls, 20… Exterior, 22… Interior, 2
4, 26, 28… Compartments, 30, 32… Ribs, 34, 36, 4
1 ... Passage, 42 ... Groove, 44 ... Passage, 48, 50 ... Wall, 52 ... Bottom, 54 ...
Upstream edge, 56 ... Downstream edge, 58 ... Weighing section, 60 ... Diffusion section, 62 ... Central axis, 64 ... Inlet, 66 ... Outlet, 68, 70 ... End wall surface, 7
2, 74 ... Side wall surface, 80 ... Tooth, 82 ... Base part, 84 ... Reference line

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−32903(JP,A) 特開 昭58−172407(JP,A) 特開 昭62−168904(JP,A) 特開 昭62−168903(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-60-32903 (JP, A) JP-A-58-172407 (JP, A) JP-A-62-168904 (JP, A) JP-A-62- 168903 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ターボ機械のための中空エーロフォイルに
して、前記エーロフォイルは下流側方向へ流れる高温ガ
スの流れ内に配置されるよう構成されており、前記エー
ロフォイルはその外面を郭定する外壁を含んでおり、前
記外壁は冷却流体を受ける長手方向に延在するコンパー
トメントの一部を前記エーロフォイル内に郭定する内面
を有しており、前記外壁は前記外面に形成された長手方
向に延在する溝を含んでおり、前記溝は前壁面と該前壁
面に対向する後壁面と底面とを有しており、前記底面は
前記前壁面と前記後壁面との間に延在しており、前記前
壁面及び前記後壁面は各々前記エーロフォイルの前記外
面上へ冷却流体を下流方向へ向けて流出させるべく前記
外面と鋭角にて交差し且前記溝の長手方向に延在する上
流側エッジ及び下流側エッジを郭定しており、前記外壁
にはそれを貫通して延在しエーロフォイルの長手方向に
沿って互いに隔置された複数個の冷却流体通路が形成さ
れており、前記冷却流体通路の各々は前記コンパートメ
ントと流体的に連通し前記コンパートメントより冷却流
体を受け前記冷却流体通路を経て流れる冷却流体の流量
を計量する内方部及び前記内方部に対し直列に接続され
た外方部とを有しており、前記外方部は前記溝の前記底
面へ向けて互いに離れる方向へ末広状に偏向し互いに隔
置され且互いに対向する端壁面を含んでおり、互いに隣
接する前記冷却流体通路の互いに隣接する前記端壁面は
実質的に前記溝の前記底面に於て互いに出会っており、
前記冷却流体通路の各々の前記外方部は前記端壁面を接
続する互いに隔置され且互いに対向する側壁面を含んで
おり、前記側壁面の一方は前記溝の前記前壁面に接続さ
れており、前記側壁面の他方は前記溝の前記後壁面に接
続されている中空エーロフォイル。
1. A hollow airfoil for a turbomachine, the airfoil being configured to be disposed in a stream of hot gas flowing in a downstream direction, the airfoil defining an outer surface thereof. An outer wall, the outer wall having an inner surface defining a portion of a longitudinally extending compartment for receiving a cooling fluid within the airfoil, the outer wall having a longitudinal direction formed in the outer surface. Including a groove extending to the front wall surface, the groove having a front wall surface, a rear wall surface facing the front wall surface, and a bottom surface, the bottom surface extending between the front wall surface and the rear wall surface. The front wall surface and the rear wall surface each intersect with the outer surface of the airfoil at an acute angle and flow upstream toward the outer surface of the airfoil so as to allow the cooling fluid to flow downstream. Side edge and bottom A side edge is defined, and the outer wall is formed with a plurality of cooling fluid passages extending therethrough and spaced from each other along the longitudinal direction of the airfoil. Each of which is in fluid communication with the compartment and receives a cooling fluid from the compartment to measure a flow rate of the cooling fluid flowing through the cooling fluid passage; and an outer portion connected in series to the inner portion. And the outer portion includes end wall surfaces that are divergent toward the bottom surface of the groove and that are divergent toward the bottom surface and are spaced apart from each other and that face each other. The end wall surfaces adjacent to each other of the passage meet each other substantially at the bottom surface of the groove,
The outer portion of each of the cooling fluid passages includes side wall surfaces that connect the end wall surfaces and are spaced from each other and face each other, and one of the side wall surfaces is connected to the front wall surface of the groove. A hollow airfoil in which the other of the side wall surfaces is connected to the rear wall surface of the groove.
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